基于CST检测技术及DFCT电路实现

摘要：讨论CST检测特性，分析了各种CST传感器检测电路。对调频检测电路造成频率不稳定进行了较全面的分析，得到影响振荡频率的原因以及这些影响的共同特征，从而提出了一种新的差动变频检测(DFCT)技术方案。对此方案进行了电路设计制作，检测试验。检测试验结果表明用于电容差动变频检测(DFCT)技术的频率稳定性比一般的变频检测(DFCT)技术高2～3个数量级，得到频率稳定性很高的检测电路。
关键词：检测技术；CST传感器；动态响应；频率稳定性；差频

0 引言
检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。
“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。随着社会的发展、技术的进步，电容传感器(CS)在传感器技术中发挥着越来越重要的作用。
电容传感器(CS)具有许多优良的特性：
(1)温度稳定性好
传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小)影响甚微。
(2)结构简单，适应性强
电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。
(3)动态响应好
电容式传感器由于极板间的静电引力很小，(约几个10-5N)，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。
(4)可以实现非接触测量、具有平均效应
当被测件不能允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。
电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0．001 m甚至更小的位移。
不足：输出阻抗高，负载能力差；寄生电容影响大；输出特性非线性。

1 CST检测电路分析
CST的检测电路非常多，常见的有如下几种：
1．1 电桥检测电路
1．1．1 检测电路
电桥检测电路原理图如图1所示，分为单臂接法和双臂接法。对图1(a)单臂接法，电桥平衡时：

1．1．2 检测电路特点
(1)高频交流正弦波供电；
(2)电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；
(3)通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；
(4)输出阻抗很高(几兆欧姆至几十兆欧姆)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。
1．2 二极管双T形检测电路
1．2．1 电路原理
电路原理如图2所示，其供电电压是幅值为±E、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，其中二极管D1导通D2截止，电容C1被以极其短的时间充电，其影响可不予考虑。电容C2的电压初始值为E，通过Rf放电，放电电流i2。电源为负半周时，D1截止、D2导通，电容C1通过Rf放电，放电电流i1，电容C2则被充电。根据一阶电路时域分析的三要素法，当R1=R2=R，可直接得到负载上的电流I0为：

式中：f为充电电源的频率，电路最大灵敏度发生在1／k1=1／k2=0．57的情况下。
1．2．2 电路特点
(1)线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；
(2)电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；
(3)输出阻抗为R，与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；
(4)适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。
1．3 差动脉冲调宽检测电路
又称差动脉宽(脉冲宽度)调制电路，利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。
1．3．1 检测电路
电路原理图如图3所示。